CN103746611A - 一种双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，包括：凸极型的外定子铁心，转子铁心以及内定子铁心，所述外定子铁心，转子铁心和内定子铁心从外到内同中心轴的嵌套设置；所述外定子铁心上设置有发电极，所述发电极上设置有激励绕组以及发电绕组，用于实现发电功能；所述转子铁心上设置有转子凸极；所述内定子铁心上设置有悬浮极，所述悬浮极上设置有悬浮力绕组，用于实现悬浮功能；本发明集全周期发电和双通道运行功能于一体，解决悬浮力和发电电压之间非线性强耦合的技术问题，增强径向负载能力，提高系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机，尤其是一种双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机。
背景技术
磁悬浮开关磁阻电机是将磁轴承的径向力绕组叠绕在开关磁阻电机定子绕组上，利用磁场力将转子悬浮于空间，可以在保留开关磁阻电机机械强度大、转速升高对电磁损耗影响小、运行效率和临界转速高、发电电流为直流脉动电流等优点的基础上，进一步消除机械轴承带来的摩擦损耗，且无需润滑装置。磁悬浮开关磁阻电机可以高速及超高速电动/发电运行，能极大地拓宽开关磁阻电机的应用范围，在工业、化工、生物以及军工等诸多领域均具有广阔的应用前景。
磁悬浮开关磁阻发电机的传统发电运行方式为周期性分时发电模式，这种传统周期性分时发电模式具有功率密度低的局限性，2011年发表于《中国电机工程学报》的文献“全周期无轴承磁悬浮开关磁阻发电机的设计”公布了一种磁悬浮开关磁阻全周期发电机，其悬浮绕组同时担任悬浮和励磁两种功能，并且在悬浮绕组完成励磁关断电流后，主绕组续流发电。然而这种发电机的悬浮绕组和主绕组所产生的磁场，在磁路上相互影响，相互耦合，悬浮力和发电电压之间存在复杂的非线性强耦合关系，系统的数学模型推导、非线性解耦以及运行控制的难度很大，悬浮和发电性能也有待提高。
2013年发表于《电工技术学报》的文献“三相串联励磁式无轴承开关磁阻发电机原理与实现”公布了一种三相串联励磁磁悬浮开关磁阻发电机，这种发电机可进一步降低功率控制器成本，但这种电机也存在悬浮和发电系统强耦合的问题。
申请号为200910263106.X的发明专利“一种单相无轴承开关磁阻电机”公布了一种单相的无轴承开关磁阻电机，这种电机的所有定子齿上只有一套绕组，悬浮力由悬浮绕组电流产生，转矩由转矩电流产生，控制方便。但是作为发电机运行时，主绕组在前半周期励磁，后半周期才续流发电，因此不能在整个相工作周期内均向外输出电能，同样具有功率密度低的问题。
申请号为201110313992.x，专利名称为“一种磁悬浮开关磁阻发电机”的发明专利，公布了一种8/10极的混合定子型磁悬浮开关磁阻发电机；申请号为201220691074.0，专利名称为“一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机”的发明专利，公布了一种12/14极的混合磁路磁悬浮开关磁阻发电机；申请号为201110313992.x以及申请号为201220691074.0的专利公布了一种定子均分设宽极的悬浮极和窄极的发电极的磁悬浮开关磁阻发电机，悬浮极上的悬浮力绕组产生悬浮力使转子悬浮，发电极上的励磁绕组和发电绕组绕分别进行励磁和发电。但是这类宽-窄极混合定子型的磁悬浮开关磁阻发电机中，发电极与悬浮极之间仍存在一定的耦合，径向两自由度悬浮极之间的耦合也较大，对悬浮和发电功能的控制有较大的影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，包括：凸极型的外定子铁心，转子铁心以及内定子铁心，所述外定子铁心，转子铁心和内定子铁心从外到内同中心轴的嵌套设置；所述外定子铁心上设置有发电极，所述发电极上设置有激励绕组以及发电绕组，用于实现发电功能；所述转子铁心上设置有转子凸极；所述内定子铁心上设置有悬浮极，所述悬浮极上设置有悬浮力绕组，用于实现悬浮功能。
优选的，所述外定子铁心上等间隔设置有12个发电极，所述转子铁心上等间隔设置有8个转子凸极，所述内定子铁心上等间隔设置有8个悬浮极。
优选的，沿所述中心轴径向相对设置的发电极上的激励绕组和发电绕组各自串接为一相，共分成两组三相。
优选的，当所述两组三相绕组中的一组出现故障时，可断开该组并通过所述两组三相绕组中的另一组实现发电功能。
优选的，所述悬浮力绕组包括两组4极结构，其中第一组悬浮力绕组位于所述中心轴径向的x、y轴正方向，第二组悬浮力绕组位于与x轴正方向成45°、135°、225°和315°夹角方向，悬浮力绕组之间互不串接。
优选的，当所述第一组悬浮力绕组出现故障时，可断开所述故障极并通过所述第二组悬浮力绕组中与其相邻的两极实现悬浮功能。
优选的，所述悬浮极与所述转子铁心内表面的对齐面积与所述悬浮极的宽度相等。
相对于现有技术，本发明提供的一种双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，具有悬浮和发电系统解耦、径向悬浮性能增强、双通道运行的特点，集开关磁阻电机全周期发电、双通道运行和转子自悬浮功能于一体，解决发电功能与转子悬浮功能之间以及径向两自由度悬浮力之间的非线性强耦合的技术问题，增强径向负载能力，可连续发电并提高供电的可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的结构示意图；
图2是本发明实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机激励绕组单独导通时的磁路分布图；
图3是本发明实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机悬浮力绕组单独导通时的磁路分布图；
图4是现有技术中申请号为201110313992.X的专利所述公布的发电机激励绕组单独导通时的磁路分布图；
图5是现有技术中申请号为201110313992.X专利所公布的发电机悬浮力绕组单独导通时的磁路分布图；
图6是本发明实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的发电电压随转子位置角的变化曲线。
其中：1、外定子铁心；2、发电极；3、转子铁心；4、转子凸极；5、内定子铁心；6、悬浮极；7、激励绕组；8、发电绕组；9、悬浮力绕组。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
请参见图1，为本发明实施方式提供的双定子型的磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的结构示意图，所述双定子型的磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机包括外定子铁心1、发电极2、转子铁心3、转子凸极4、内定子铁心5、悬浮极6、激励绕组7、发电绕组8以及悬浮力绕组9，其中，外定子铁心1，转子铁心3和内定子铁心5依次从外到内以同中心轴的方式嵌套设置。
外定子铁心1包括十二个发电极2，十二个发电极2等间隔地设置在外定子铁心1上，激励绕组7和发电绕组8分别缠绕于十二个发电极2上，径向相对的两个激励绕组7和发电绕组8分别串接为一相，共分成A1、B1、C1以及A2、B2、C2共两组三相。
转子铁心3包括八个转子凸极4，八个转子凸极4等间隔地设置在转子铁心3上，转子凸极4上未设置任何绕组。
内定子铁心5包括八个悬浮极6，八个悬浮极6等间隔地设置在内定子铁心5上，悬浮极6上分别绕有悬浮力绕组9，各悬浮力绕组9相互之间不串接。
发电极2上的激励绕组7和发电绕组8负责全周期发电功能，图中isA1+、isB1+和isC1+分别为A1相、B1相和C1相激励绕组的流入电流；isA1-、isB1-和isC1-分别为A1相、B1相和C1相激励绕组的流出电流；igA1+、isB1+和isc1+分别为A1相、B1相和C1相发电绕组的流入电流；igA1-、igB1-和igC1-分别为A1相、B1相和C1相发电绕组的流出电流；isA2+、isB2+和isC2+分别为A2相、B2相和C2相激励绕组的流入电流；isA2-、isB2-和isC2-分别为A2相、B2相和C2相激励绕组的流出电流；igA2+、igB2+和igc2+分别为A2相、B2相和C2相发电绕组的流入电流；igA2-、igB2-和igC2-分别为A2相、B2相和C2相发电绕组的流出电流。选用A1、B1、C1相实现发电，当检测A1、B1、C1相出现故障时，断开A1、B1、C1相，转而选用A2、B2、C2相实现发电，实现双通道发电；通过控制三相激励绕组的轮流导通以及激励电流的大小，即可在发电绕组内获得期望的发电电压。
悬浮极6上的悬浮力绕组9负责转子悬浮功能，图中ia1+和ia2+分别为位于x、y轴正方向的悬浮力绕组的流入电流；ia3+和ia4+分别为x、y轴负方向悬浮绕组的流入电流；ia1-和ia2-分别为位于x、y轴正方向的悬浮力绕组的流出电流；ia3-和ia4-分别为x、y轴负方向悬浮绕组的流出电流；ib1+、ib2+、ib3+和ib4+分别为沿与x轴正方向成45°、135°、225°和315°夹角方向悬浮力绕组的流入电流；ib1-、ib2-、ib3-和ib4-分别为沿与x轴正方向成45°、135°、225°和315°夹角方向悬浮力绕组的流出电流。选用ia1、ia2、ia3和ia4产生转子悬浮所需的径向力，ia1导通时，产生x轴正方向悬浮力，反之，ia3导通时，产生x轴负方向悬浮力；ia2导通时，产生y轴正方向悬浮力，反之，ia4导通时，产生y轴负方向悬浮力。当ia1出现故障时，断开ia1，转而选用ib1和ib4导通，从而产生所需的x轴正方向悬浮力合力；当ia2出现故障时，断开ia2，转而选用ib1和ib2导通，从而产生所需的y轴正方向悬浮力合力；当ia3出现故障时，断开ia3，转而选用ib2和ib3导通，从而产生所需的x轴负方向悬浮力合力；当ia4出现故障时，断开ia4，转而选用ib3和ib4导通，从而产生所需的y轴负方向悬浮力合力。如此，可以实现双通道转子悬浮，通过控制x轴方向和y轴方向的悬浮力即可合成任意方向的悬浮力，从而实现发电机的转子自悬浮功能。
请参见图2和图4，本发明实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的激励绕组7单独导通时激励电流产生的磁通不经过内定子铁心5和悬浮力绕组9，而现有技术中申请号为201110313992.X专利所公布的磁悬浮开关磁阻发电机的激励电流产生的磁通中有部分经过悬浮极和悬浮力绕组。
请参见表一，为本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机与申请号为201110313992.x的专利所公布的发电机在激励绕组单独导通时的绕组磁链有限元计算值比较。其中，定义转子凸极4与发电极2对齐时为转子位置角θ的零度位置，以逆时针方向为正，本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机A1相激励绕组磁链为ψS_A1，悬浮极a1处的悬浮力绕组磁链为ψa1，转子初始位置角为-15°，转速为5000r/min；申请号为201110313992.x的专利所述发电机A相激励绕组磁链为ψS_A，悬浮极x1处的悬浮力绕组磁链为ψx1，转子初始位置角为-18°，转速为6000r/min；可以看出，本发明实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的激励绕组电流在悬浮力绕组引起的磁链仅约占激励绕组磁链的0.01%～0.02%；申请号为201110313992.x的专利所述发电机的激励绕组电流在悬浮力绕组引起的磁链仅约占激励绕组磁链的10%～20%。可以看出本发明实施方式提供的双定子型的磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的激励绕组对悬浮力绕组的耦合影响远小于申请号为201110313992.x的专利所公布的发电机。
表一
请参见图3和图5，本发明实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机悬浮力绕组9单独导通时，悬浮电流产生的磁通不经过外定子铁心1、激励绕组7和发电绕组8；而现有技术中申请号为201110313992.X的专利所公布的磁悬浮开关磁阻发电机的悬浮电流产生的磁通中有部分经过发电极、激励绕组和发电绕组。
请参见表二，为本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机与申请号为201110313992.x的专利所公布的发电机在悬浮力绕组单独导通时的绕组磁链有限元计算值比较。其中，本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机悬浮极a1处的悬浮力绕组磁链为ψa1，A1相激励绕组磁链为ψS_A1，转子初始位置角为-15°，转速为5000r/min；申请号为201110313992.x的专利所公布的发电机悬浮极x1处的悬浮力绕组磁链为ψx1，A相激励绕组磁链为ψS_A，转子初始位置角为-18°，转速为6000r/min。可以看出，给定悬浮绕组电流时，本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的悬浮力绕组磁链波动≤20%，申请号为201110313992.x的专利所公布的发电机悬浮力绕组磁链的波动≤50%，因此本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的悬浮力受转子位置角的影响远小于申请号为201110313992.x的专利所公布的发电机；比较悬浮力绕组电流在发电绕组引起的磁链与悬浮力绕组磁链的比值，也可以看出本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机悬浮力绕组对发电绕组的耦合影响也小于申请号为201110313992.x的专利所公布的发电机。
表二
请参见表三，为本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机与申请号为201110313992.x的专利所公布的发电机在x1极悬浮力绕组单独导通时，转子受到的径向悬浮力有限元计算值比较。其中，本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机转子受到的沿x、y轴正方向的径向力为Fx-1、Fy-1，转子初始位置角为-15°，转速为5000r/min；申请号为201110313992.x的专利所述发电机转子受到的沿x、y轴正方向的径向力为Fx-2、Fy-2，转子初始位置角为-18°，转速为6000r/min。可以看出，给定悬浮绕组电流时，在转子旋转过程中，本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的悬浮力大小基本维持恒定，且悬浮力的波动远小于申请号为201110313992.x的专利所述发电机。考察悬浮力之间的耦合影响，可以看出本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的悬浮力之间的耦合影响也远小于申请号为201110313992.x的专利所述的发电机。这保证了在整个导通周期内，本实施方式提供的双定子型磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的悬浮力基本不受转子位置角影响，且径向两自由度悬浮力之间的耦合影响也非常小，很大程度上提升了发电机的悬浮性能。
表三
综上，可以看出，本发明所述一种双定子型的磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机的悬浮极6上的绕组（即悬浮力绕组9）和发电极3上的绕组（包括激励绕组7和发电绕组8）之间具有独立的磁通路径，很大程度提升了转子悬浮功能与发电功能之间的解耦特性，解决了发电功能与悬浮功能的非线性强耦合问题。径向力仅由悬浮力绕组9单独承担，而不是由悬浮力绕组9和激励绕组7产生的磁场叠加而得到，选择激励绕组7和悬浮力绕组9的导通区间时，无需兼顾悬浮与发电功能的有效运行区间，可大大提高各绕组导通区域选择的灵活性，方便研究和选择不同的控制策略，发电功能与悬浮功能解耦，绕组导通区间不存在彼此制约，提高了控制的灵活性。
参见图6，本发明磁悬浮开关磁阻发电机的发电电压随转子位置角的变化曲线，可以看出，本发明外定子铁心1的发电极2上绕有激励绕组7和发电绕组8，激励绕组提供激励，在转子旋转过程中，由激励绕组7提供励磁，由发电绕组8感应发电，除了转子凸极4与发电极2完全对齐和完全不对齐位置以外，发电绕组中一直都有发电电压产生，通过控制各相激励绕组的轮流激励和激励电流大小，即可连续输出期望的发电电压，实现全周期发电，解决了现有技术中周期性分时发电模式的功率密度低的问题。
内定子铁心5的悬浮极6上绕有悬浮力绕组9，实现转子铁心3的径向悬浮功能。悬浮极与转子铁心的对齐面积等于悬浮极的极宽，在转子铁心3旋转过程中，悬浮力不受转子位置角影响，克服了传统磁悬浮开关磁阻电机在定、转子凸极不对齐的位置不能有效产生径向力的问题，改善了径向悬浮性能，并降低径向悬浮的控制难度。
外定子上设置12个发电极，每个发电极上设有实现全周期发电功能的激励绕组和发电绕组，径向相对的两个激励绕组和发电绕组分别串接为一相。转子上设置8个转子凸极。外定子和转子采用双三相6/4结构，在发电机运行过程中按三相6/4结构进行控制，当发生故障时，可将故障相断开，而起用另外一组三相6/4结构的发电极，双通道发电，提高系统供电的可靠性。
内定子上等间隔地设置8个悬浮极，每个悬浮极上设有实现转子悬浮功能的悬浮力绕组，采用两组4极结构，悬浮力绕组之间互不串接，由位于径向的x、y轴正方向的一组4极悬浮力绕组提供转子悬浮所需的径向力，当该组悬浮力绕组出现故障时，断开该组悬浮力绕组中的故障极，转而在另一组位于与x轴正方向成45°、135°、225°和315°夹角方向的四极绕组中，选用2个悬浮力绕组以产生缺失的悬浮力。在发电机运行过程中根据期望的径向力，选择所需的悬浮力绕组导通，当发生故障时，可将故障绕组断开，而选择替代的悬浮力绕组以产生缺失的径向力，双通道悬浮，提高转子悬浮的可靠性。
本发明实施方式提供的双定子型的磁悬浮开关磁阻全周期双通道发电机，发电和悬浮子系统均可双通道运行，提高了系统运行的可靠性；径向力的产生不需要激励绕组7提供偏置磁场，激励绕组7和悬浮力绕组9的导通区间不存在彼此制约，提高了控制方法研究和选择的灵活性。本发明集全周期发电和双通道运行功能于一体，解决悬浮力和发电电压之间非线性强耦合的技术问题，改善径向悬浮性能，发电和悬浮子系统均可双通道运行，提高了系统的可靠性。
本领域技术人员可以想到的是，本发明还可以有其他的实现方式，但只要其采用的技术精髓于本发明相同或相近似，或者任何基于本发明做出的易于思及的变化和替换都在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，其特征在于：包括：凸极型的外定子铁心，转子铁心以及内定子铁心，所述外定子铁心、转子铁心和内定子铁心从外到内同中心轴的嵌套设置；
所述外定子铁心上设置有发电极，所述发电极上设置有激励绕组以及发电绕组，用于实现发电功能；
所述转子铁心上设置有转子凸极；
所述内定子铁心上设置有悬浮极，所述悬浮极上设置有悬浮力绕组，用于实现悬浮功能。
2.根据权利要求1所述的双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，其特征在于：所述外定子铁心上等间隔设置有12个发电极，所述转子铁心上等间隔设置有8个转子凸极，所述内定子铁心上等间隔设置有8个悬浮极。
3.根据权利要求2所述的双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，其特征在于：沿所述中心轴径向相对设置的发电极上的激励绕组和发电绕组各自串接为一相，共分成两组三相。
4.根据权利要求3所述的双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，其特征在于：当所述两组三相绕组中的一组出现故障时，断开该组并通过所述两组三相绕组中的另一组实现发电功能。
5.根据权利要求2所述的双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，其特征在于：所述悬浮力绕组包括两组4极结构，其中第一组悬浮力绕组位于所述中心轴径向的x、y轴正方向，第二组悬浮力绕组位于与轴正方向成45o、135o、225o和315o夹角方向，悬浮力绕组之间互不串接。
6.根据权利要求5所述的双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，其特征在于：当所述第一组悬浮力绕组出现故障时，断开所述故障极并通过所述第二组悬浮力绕组中与其相邻的两极替代所述故障极实现悬浮功能。
7.根据权利要求1所述的双定子型磁悬浮开关磁阻双通道全周期发电机，其特征在于：所述悬浮极与所述转子铁心内表面的对齐面积与所述悬浮极的宽度相等。
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